JP5071978B2 - エレベータ制振装置 - Google Patents

Description

本発明は、エレベータの振動を低減するためのエレベータ制振装置に関する。

近年、建物の省スペース化に伴い、巻上機を小型化して昇降路内に設置したマシンルームレス型のエレベータが普及している。マシンルームレス型のエレベータでは、昇降路内で巻上機が駆動されることにより、巻上機のシーブに巻き掛けられたロープを介して乗りかごが昇降動作する。この際、巻上機の振動が梁等を介して建物側に伝わる。特に、ロープの強度向上により細径化が進むと、それに伴ってシーブの径も小さくなるため、シーブが高速回転することにより約１０Ｈｚ以上の振動が発生する。この振動は建物側の住居の壁等に響いて騒音の原因となる。このような背景から、巻上機を支持する支持部材に振動センサと共に制振装置を設置し、制振装置を駆動することにより振動センサによって検出される振動と逆位相の力を制振力として支持部材に与えることにより、支持部材を介して建物へ伝わる振動を低減する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００７−２９７１８０号公報

従来の制振装置は、支持部材に取り付けられるケーシングと、ケーシング内で少なくとも一部に磁性体を有する重りを制振方向（例えば上下方向）に変位自在に支持する弾性体と、ケーシング内で重りに対向配置された電磁石とを備え、電磁石が発生する電磁力の磁性体に対する作用により重りを制振方向に振動させることにより、ケーシングを介して支持部材に制振力を与えるように構成されている。しかしながら従来の制振装置では、重りは単に弾性体により支持されているだけの構造であるために、制振方向に対し直交する方向（例えば左右方向）の成分を有する振動が加わった場合、重りが制振方向に対し直交する方向に変位することにより、支持部材に制振力を効果的に与えることができなくなる可能性がある。またその変位量が大きい場合には、重りがケーシングの内壁面に接触し破損する可能性もある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、制振方向と直交する方向への重りの変位を低減可能なエレベータ制振装置を提供することにある。

本発明に係るエレベータ制振装置では、ケーシング内で制振方向に少なくとも一部に磁性体を有する重りを変位自在に支持する弾性体の制振方向のバネ定数が制振方向と直交する方向のバネ定数未満の大きさに設定されている。一の形態では、弾性体の制振方向のバネ定数が、当該制振方向と直交する方向のバネ定数未満の大きさに設定され、かつ、重りの質量と弾性体の制振方向のバネ定数とにより定まる一次共振周波数が抑止する周波数範囲内の最小周波数以下になる大きさに設定されている。また、他の形態では、弾性体の制振方向のバネ定数が、当該制振方向と直交する方向のバネ定数未満の大きさに設定され、かつ、重りと電磁石間のギャップ長の変化に伴う電磁力の変化の割合以上の大きさに設定されている。

本発明に係るエレベータ制振装置によれば、制振方向と直交する方向への重りの変位量を低減することができる。

マシンルームレス型のエレベータ構成は、例えば、特開２００４−１１５１６１号公報に開示されているように従来の機械室ではなく昇降路内の壁やレール上等に制御盤や巻上げ機等が配置されている。そしてこれらレール等はブラケット等により昇降路内壁に固定されており、巻上げ機の駆動、かごの昇降等によって生ずる振動が建物に伝わり騒音等の原因となっていた。以下、図面を参照して、本発明に係るエレベータ制振装置を適用したマシンルームレス型のエレベータの構成について説明する。

〔エレベータの全体構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態となるマシンルームレス型のエレベータの全体構成について説明する。

本発明の一実施形態となるマシンルームレス型のエレベータでは、図１に示すように、巻上機１１等の機器類（図示しない制御盤を含む）が小型化されて昇降路１０内に配置されている。巻上機１１は、昇降路１０の上部に水平方向に架設された支持部材１２に受台１３を介して設置されている。支持部材１２は、例えば鉄製の強固な部材（建物の梁を利用することも可能）からなる。巻上機１１の底部に取り付けられた受台１３は、例えば防振ゴム等の吸音部材からなる。巻上機１１の回転軸１１ａにはメインシーブ１４が回転自在に取り付けられ、メインシーブ１４にはロープ１５が巻き掛けられている。

ロープ１５の両端部は昇降路１０の所定の箇所に設けられたヒッチ部に固定されており、乗りかご１６はかご下シーブ１７ａ，１７ｂを介して図示しないカウンタウェイトと共に２：１ローピング方式で支えられている。なお図１にはロープ１５が１本しか図示されていないが、実際には複数本のロープ１５がメインシーブ１４やかご下シーブ１７ａ，１７ｂ等に巻き掛けられている。乗りかご１６は、一対のガイドレール１８ａ，１８ｂに摺動自在に支持され、巻上機１１の駆動に応じてロープ１５を介して昇降動作する。ガイドレール１８ａ，１８ｂは支持部材１２に連結され、支持部材１２の端部は建物の側壁１９に固定されている。

このような構成を有するマシンルームレス型のエレベータでは、巻上機１１の駆動に伴って振動が発生し、それが巻上機１１の周囲に伝わる。特に、ロープ１５の強度向上により細径化が進むと、それに伴ってメインシーブ１４の径も小さくなるため、高速回転により約１０Ｈｚ以上の振動が生じ易くなる。そしてこの振動は、支持部材１２を介して建物の側壁１９に伝わり、例えば住居の壁等に響いて騒音の原因となる。そこでこのマシンルームレス型のエレベータには、巻上機１１から建物の側壁１９に伝わる振動を低減するために、支持部材１２に振動センサ２０と制振装置２１が設けられている。

振動センサ２０は、例えば加速度センサからなり、その設置箇所に生じている振動を検出する。制振装置２１は、振動センサ２０によって検出された振動信号に基づいて重り２２を所定方向に動かすことにより、制振対象（この例では支持部材１２）に制振力を与える。より具体的には、制振装置２１は、支持部材１２の裏側（すなわち巻上機１１とは反対側の面）に振動センサ２０と共に設けられている。巻上機１１の駆動時に支持部材１２に伝わる振動はその支持部材１２上に設けられた振動センサ２０により検出される。制振装置２１は、振動センサ２０によって検出された振動信号に基づいて内部の重り２２を動かすことにより、支持部材１２に伝わる振動とは逆位相の力を発生させる。これにより、支持部材１２に制振力が与えられ、巻上機１１からの振動が相殺される。この結果、巻上機１１から支持部材１２を介して建物の側壁１９へ伝わる振動を低減できる。

〔制振装置の内部構成〕
次に、図２を参照して、本発明の一実施形態となる制振装置２１の内部構成について説明する。

制振装置２１は、少なくとも一部に磁性体を有する重り２２を内部に収容する空間２３を形成するケーシング２４と、ケーシング２４内側の底面２４ａに形成された凹部２５と、重り２２を挟むようにしてケーシング２４内側の上面及び凹部２５の底面２５ａに対向配置された電磁石２６ａ，２６ｂと、ケーシング２４内側の底面２４ａに配設され、重り２２を図中の矢印ａ，ｂ方向（制振方向，上下方向）に変位自在に支持する弾性体２７ａ，２７ｂを備える。この制振装置２１では、電磁石２６ａ，２６ｂが励磁されると、その時に発生する電磁力により少なくとも一部に磁性体を有する重り２２が制振方向に動き、その反力がケーシング２４に作用する。従って、ケーシング２４に作用する反力が制振力となるように電磁石２６ａ，２６ｂを励磁制御すれば、巻上機１１からの振動を相殺することができる。

なおケーシング２４は、電磁石２６ａ，２６が設けられている上下面を有するものであればよく、必ずしも４つの側面を有する必要はない。また電磁石２６ａ，２６ｂは、重り２２と弾性体２７ａ，２７ｂにより構成される振動系の回転モードの節（振動時に変位しない点）に対応する位置（弾性体が２つである場合には重り２２の重心位置）に配置することが望ましい。このような構成によれば、重り２２の２次振動モード（例えば重り２２の重心位置を中心とする揺動回転）が励振されることによって制振力を正確に制御できなくなることを防止できる。

また電磁石２６ａ，２６ｂを構成するコアは積層鋼板，フェライト，パーマロイ等の電気抵抗が比較的大きい材料により形成されていることが望ましい。これは、鉄等の電気抵抗が比較的小さい材料によりコアを形成した場合、コイルに高周波電流を通電した場合、コア表面に渦電流が発生することにより、発生した電磁力が電磁石２６ａ，２６ｂ内で打ち消され、制振力を正確に制御できなくなる可能性があるためである。

〔制振装置の制御系の構成〕
次に、図３を参照して、制振装置２１の動作を制御する本発明の一実施形態となる制御系の構成について説明する。

制御装置４０は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の汎用のコンピュータにより構成され、Ａ／Ｄ変換器４１、ハイパスフィルタ４２、積分器４３、ゲイン調整器４４、平方根演算器３５、電磁力分配演算器４５、及びＤ／Ａ変換器４６，４７を備える。振動センサ２０により検出された振動信号は、Ａ／Ｄ変換器４１によりＡ／Ｄ変換された後にハイパスフィルタ４２に与えられ、ハイパスフィルタ４２により抑止する周波数範囲（例えば約５０〜３００Ｈｚ）の振動成分が抽出される。ハイパスフィルタ４２により抽出された振動成分は積分器４３により数値積分された後、ゲイン調整器４４にて所定のゲインを乗じることで制振信号が生成される。

制振装置２１に備えられた電磁石２６ａ，２６ｂは、それぞれ重り２２を吸引する方向（制振方向）の電磁力しか発生できない。そこで、電磁力分配演算器４５において、例えば重り２２を上方向（矢印ａ方向）に動かす瞬間は一方の電磁石２６ａの電磁力による吸引作用を大きくし、他方の電磁石２６ｂの電磁力による吸引作用を小さくするといったように、重り２２を動かすタイミングに応じて電磁石２６ａ，２６ｂの電磁力を分配する。電磁力分配演算器４５から出力される制振信号は、Ｄ／Ａ変換器４６，４７によりＤ／Ａ変換され、必要に応じてアンプ（ＡＭＰ）４８，４９により増幅された後、電磁石２６ａ，２６ｂに与えられる。これにより、電磁石２６ａ，２６ｂが励磁駆動され、ケーシング２４に反力が作用することにより、巻上機１１からの振動を相殺することができる。

なお電磁石２６ａ，２６ｂがＵ型の電磁石である場合、電磁石２６ａ，２６ｂが発生する電磁力Ｆは、磁路断面積をＳ，コイル巻数をＮ，コイル電流をＩ，電磁石コアの磁路長をＬ１，重り２２の磁路長をＬ２，電磁石２６ａ，２６ｂと重り２２間のギャップ長をＬ３，電磁石コアの透磁率をμ１，重り２２の透磁率をμ２，空気の透磁率をμ０とすると、以下の数式１のように表される。

すなわち制振装置２１が発生する制振力はコイル電流Ｉの２乗値に比例するので、制御装置４０に制振力の大きさを制御信号として入力する場合には、制御装置４０は制御信号を符号付きの平方根信号に変換することによりコイル電流Ｉを導出しなければならない。以上のことから、制御装置４０に制振力の大きさを制御信号として入力する場合には、平方根演算器３５が制御信号を符号付きの平方根信号に変換することが望ましい。

このように本発明の実施形態となるマシンルームレス型のエレベータでは、エレベータの巻上機１１を支持する部材（支持部材１２やマシンベッド）に振動センサ２０と共に制振装置２１を設置しておき、振動センサ２０によって検出される振動信号に基づいて制振装置２１を駆動することにより、巻上機１１から支持部材を介して建物の側壁１９を伝わる振動を低減し、建物の隣室居室等への影響を軽減することができる。

〔弾性体の構成〕
重り２２が単に弾性体２７ａ，２７ｂにより支持されているだけである場合、制振方向に対し直交する方向の成分を有する振動が加わった場合、重り２２が制振方向に対し直交する方向に変位することにより、制振方向の高周波の振動を効果的に低減することができなくなる可能性がある。またその変位量が大きい場合には、重り２２がケーシング２４の内壁面に接触し、破損する可能性もある。そこで本実施形態では、図４に示すように、弾性体２７ａ，２７ｂの制振方向のバネ定数ｋ１は、制振方向と直交する方向のバネ定数ｋ２未満の大きさに設定されている。

このような構成によれば、制振方向と直交する方向への重り２２の変位量を低減することができるので、制振方向の振動を効果的に低減することができると共に重り２２がケーシング２４の内壁面に接触することを防止できる。弾性体２７ａ，２７ｂの制振方向のバネ定数ｋ１を制振方向と直交する方向のバネ定数ｋ２未満の大きさに設定する方法としては、例えば、弾性体２７ａ，２７ｂの材料特性を制御する方法や制振方向と直交する方向への変位を規制する部材を弾性体２７ａ，２７ｂの側面に配置する方法が考えられる。

本実施形態では、制振装置２１の動特性は並進及び回転自由度を有する１つの重りを２つのバネで支持した２自由度振動系としてモデル化することができる。従って電磁石２６ａ，２６ｂで発生させた電磁力に対する制振装置２１の出力（制振力）の周波数特性は一般的な２自由度振動系の強制加振動応答として計算することができる。この方法により電磁石２６ａ，２６ｂで発生させた電磁力に対する制振装置２１の出力の周波数特性を計算した結果を図５（ａ），（ｂ）に示す。なお本計算では重り２２の質量と弾性体２７ａ，２７ｂのバネ定数ｋ１により定まる１次共振周波数を２５Ｈｚに設定し、与える電磁力の振幅は１２０Ｎとしている。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態の制振装置２１では、重り２２の質量ｍと弾性体２７ａ，２７ｂのバネ定数ｋ１とにより定まる一次共振周波数ｆ１（以下の数式２参照）の２倍程度の周波数以上の周波数範囲で使用する場合、出力の大きさが与えた電磁力にほぼ一致し、且つ、出力の位相のずれも３０°以内に収まり、制振装置２１として望ましい出力特性を示すことがわかる。以上のことから、弾性体２７ａ，２７ｂのバネ定数ｋ１は、重り２２の質量と弾性体２７ａ，２７ｂのバネ定数ｋ１とにより定まる一次共振周波数ｆ１が抑止する周波数範囲の最小周波数（図５（ａ）に示す例では約５０Ｈｚ）以下になるように設定することが望ましい。

本実施形態では、重り２２の能動的な位置制御は行わずに弾性体２７ａ，２７ｂの復元力だけで重り２２の位置を受動制御しているので、図６に示すように、重り２２の変位量が大きくなることにより重り２２と電磁石２６ａ，２６ｂ間のギャップ長Ｌ３が短くなり、電磁石２６ａ，２６ｂの電磁力が大きくなることによって、重り２２が電磁石２６ａ，２６ｂに吸着してしまう可能性がある。ここで電磁石２６ａ，２６ｂから吸引力Ｆを作用させた際の重り２２の運動方程式は概略以下の数式３のように表される。なお式２中、パラメータｍ，ｃ，ｋ１，Ｆ，ｄｘ，αはそれぞれ、重り２２の重量，弾性体２７ａ，２７ｂの減衰定数，弾性体２７ａ，２７ｂのバネ定数，重り２２の微小変位，及びギャップ長の変化に伴う吸引力Ｆの変化率を示す。

すなわち吸引力Ｆの変化率αは重り２２の変位ｄｘに対し負のバネ力として働く。従って、重り２２が電磁石２６ａ，２６ｂに吸着することを防止するためには、重り２２の変位に対する実際のバネ定数（ｋ１−α）が常に正でなければならない。一方、弾性体２７ａ，２７ｂのバネ定数ｋ１が大きいと、電磁石２６ａ，２６ｂで発生した吸引力Ｆが弾性体２７ａ，２７ｂに内力として吸収され、性能が低下してしまう。このことから弾性体２７ａ，２７ｂの制振方向のバネ定数ｋ１は吸引力Ｆの変化率αと略同値又吸引力Ｆの変化率α以上であることが望ましい。

重り２２に対し外部信号（例えばステップ状の電磁力）を与えた場合、制振装置２１の出力は図７に示すように重り２２の質量と弾性体のバネ定数とにより定まる振動系の共振周波数で発振（波形Ｐ１〜Ｐ３）する特性を示し、電磁石２６ａ，２６ｂと重り２２が接触する可能性がある。従って弾性体２７ａ，２７ｂの減衰定数ｃは、重り２２に対しステップ状の電磁力を与えた場合に電磁石２６ａ，２６ｂと重り２２が接触しない値以上に設定することが望ましい。

以上、本発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば本実施形態では、電磁石２６ａ，２６ｂの位置は固定されているが、電磁石２６ａ，２６ｂに可動機構を設けることにより重り２２と電磁石２６ａ，２６ｂ間のギャップ長を調整可能なようにしてもよい。また本実施形態は制振装置をエレベータに設けたものであるが、本発明はこれに限られることはなく、電車や自動車等の車両にも適用することができる。このように、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

本発明の一実施形態となるマシンルームレス型のエレベータの構成を示す図である。 図１に示す制振装置の内部構成を示す図である。 図２に示す制振装置の制御系の構成を説明するための図である。 弾性体の制振方向のバネ定数と制振方向と直交する方向のバネ定数の関係を示す図である。 制振装置から出力される制振力及びその電磁力に対する位相ずれの周波数特性を示す図である。 重りと電磁石間のギャップ長の変化に対する制振装置から出力される制振力の変化を示す図である。 弾性体の減衰定数の変化に伴う制振装置から出力される制振力の周波数特性の変化を示す図である。

符号の説明

１０：昇降路
１１：巻上機
１１ａ：回転軸
１２：支持部材
１３：受台
１４：メインシーブ
１５：ロープ
１６：乗りかご
１７ａ，１７ｂ：かご下シーブ
１８ａ，１８ｂ：ガイドレール
１９：建物の側壁
２０：振動センサ
２１：制振装置
２２：重り
２３：空間
２４：ケーシング
２５：凹部
２６ａ，２６ｂ：電磁石
２７ａ，２７ｂ：弾性体
３５：平方根演算器
４０：制御装置
４１：Ａ／Ｄ変換器
４２：ハイパスフィルタ
４３：積分器
４４：ゲイン調整器
４５：電磁力分配演算器
４６，４７：Ｄ／Ａ変換器
４８，４９：ＡＭＰ

Claims (7)

1. 制振対象物に取り付けられるケーシングと、ケーシング内で少なくとも一部に磁性体を有する重りを制振方向に変位自在に支持する弾性体と、ケーシング内で重りに対向配置された電磁石とを備え、電磁石の電磁力の磁性体に対する作用により重りを制振方向に動かすことにより、ケーシングを介して制振対象物に制振力を与えるエレベータ制振装置であって、前記弾性体の前記制振方向のバネ定数が、
   当該制振方向と直交する方向のバネ定数未満の大きさに設定され、かつ、
   前記重りの質量と前記弾性体の前記制振方向のバネ定数とにより定まる一次共振周波数が抑止する周波数範囲内の最小周波数以下になる大きさに設定されていることを特徴とするエレベータ制振装置。
2. 制振対象物に取り付けられるケーシングと、ケーシング内で少なくとも一部に磁性体を有する重りを制振方向に変位自在に支持する弾性体と、ケーシング内で重りに対向配置された電磁石とを備え、電磁石の電磁力の磁性体に対する作用により重りを制振方向に動かすことにより、ケーシングを介して制振対象物に制振力を与えるエレベータ制振装置であって、前記弾性体の前記制振方向のバネ定数が、
   当該制振方向と直交する方向のバネ定数未満の大きさに設定され、かつ、
   前記重りと前記電磁石間のギャップ長の変化に伴う前記電磁力の変化の割合以上の大きさに設定されていることを特徴とするエレベータ制振装置。
3. 前記弾性体の減衰定数が前記磁性体に対しステップ状の電磁力を与えた場合に前記重りと前記電磁石が衝突しない値以上の大きさに設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエレベータ制振装置。
4. 前記電磁石を構成するコアが積層鋼板、フェライト、及びパーマロイのうちのいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載のエレベータ制振装置。
5. 前記電磁石と前記重り間のギャップ長が調整可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載のエレベータ制振装置。
6. 制振対象物に取り付けられるケーシングと、ケーシング内で少なくとも一部に磁性体を有する重りを制振方向に変位自在に支持する弾性体と、ケーシング内で重りに対向配置された電磁石とを備え、電磁石の電磁力の磁性体に対する作用により重りを制振方向に動かすことにより、ケーシングを介して制振対象物に制振力を与える制振装置であって、前記弾性体の前記制振方向のバネ定数が、
   当該制振方向と直交する方向のバネ定数未満の大きさに設定され、かつ、
   前記弾性体の前記制振方向のバネ定数が前記重りの質量と前記弾性体の前記制振方向のバネ定数とにより定まる一次共振周波数が抑止する周波数範囲内の最小周波数以下になる大きさに設定されていることを特徴とする制振装置。
7. 前記弾性体の前記制振方向のバネ定数が前記重りと前記電磁石間のギャップ長の変化に伴う前記電磁力の変化の割合以上の大きさに設定されていることを特徴とする請求項６に記載の制振装置。

Images